Anatomie fonctionnelle des bactéries

1.1 - La découverte du monde bactérien

Anton VAN LEEUWENHOEK (1632-1723), drapier hollandais et grand amateur de loupes et instruments d'optique, découvre et décrit entre 1674 et 1687 le monde microbien (« les animalcules »). Mais celui-ci n'est véritablement reconnu qu'à partir du milieu du XIXe  siècle à la suite des travaux de Louis PASTEUR et de ses élèves.

En 1866, HAECKEL crée le terme de protistes pour désigner, entre le monde animal et le monde végétal, les êtres unicellulaires et les êtres pluricellulaires sans tissus différenciés. Les protistes sont classés en deux catégories :

  • Les protistes supérieurs ou eucaryotes qui possèdent un noyau entouré d'une membrane, des chromosomes, un appareil de mitose et une structure cellulaire complexe (mitochondries notamment).
  • Les protistes inférieurs ou procaryotes qui ont un chromosome unique sans membrane nucléaire et sans appareil de mitose, et une structure cellulaire élémentaire (pas de mitochondries). Les bactéries font partie des protistes procaryotes.

En 1878, SEDILLOT crée le terme de microbes parmi lesquels on distinguera ensuite les bactéries proprement dites et les virus. Le terme virus, qui au début désignait tout agent infectieux, est maintenant réservé à la catégorie bien particulière de microbes qui ne possèdent qu'un seul type d'acide nucléique et qui sont incapables d'assurer à eux-seuls la synthèse de leurs propres constituants. Seule l'expression « réservoir de virus » a gardé un sens général : elle signifie réservoir de germes (de microbes) sans préjuger de la nature exacte du germe (du microbe) en question.

Les bactéries sont des êtres unicellulaires qui possèdent les éléments essentiels à la vie cellulaire. Leur taille varie de 1 à 10 microns (µm). Elles ne sont donc visibles qu'au microscope optique (×103) ou au microscope électronique (×106). Elles peuvent être désintégrées par divers procédés physiques et chimiques, ce qui permet d'étudier les constituants bactériens ainsi libérés.

Quelques chiffres concernant une bactérie-type, Escherichia coli :

Poids d'une cellule : 10-12g

Eau : 70 %

Poids sec d'une cellule : 3 × 10-13g

Proportion du poids sec : protéines 55 %, lipides 10 %, lipopolysaccharides (LPS) 3 %, peptidoglycane 3 %, ribosomes 40 %, ARN 20 %, ADN 3 %.

1.2.1 L'appareil nucléaire des bactéries

Comme tous les protistes procaryotes, les bactéries possèdent un appareil nucléaire constitué d'acide desoxyribonucléique (ADN) qui est le support de l'information génétique.

L'ADN chromosomique est constitué d'une double hélice d'ADN circulaire. Cette double hélice est pelotonnée, surenroulée dans le cytoplasme grâce à l'action des topoisomérases (au nombre de 4 chez les bactéries). Déplié, le chromosome bactérien a près de 1 mm de long (1000 fois la longueur de la bactérie) et 3 à 5 nanomètres de large.

Les deux chaînes de nucléotides se répliquent selon le schéma de Watson et Crick, chaque chaîne assurant la réplication de la chaîne complémentaire selon un mode semi-conservatif.

L'analyse chimique de l'appareil nucléaire indique qu'il est composé à 80 % d'ADN (le chromosome), à 10 % d'acide ribonucléique ou ARN (rôle de structuration) et à 10 % de protéines. Ces dernières sont représentées en particulier par les ADN polymérases qui copient les doubles brins d'ADN, les topoisomérases, surtout les ADN gyrases, qui les déroulent pour permettre l'action des polymérases, et des ARN polymérases qui assurent la synthèse des divers ARN.

Les constituants de l'appareil nucléaire sont la cible d'action de plusieurs antibiotiques : les quinolones inhibent les topoisomérases et les rifamycines inhibent les ARN polymérases, tandis que les nitromidazolés entraînent la fragmentation de l'ADN chez les anaérobies stricts.

Tableau 1 Cible d'action des principaux antibiotiques

Antibiotiques à activité principalement bactéricide 

Antibiotiques à activité principalement bactériostatique

Classe

Cible bactérienne d'action

Classe

Cible bactérienne d'action

  1. Betalactamines
    Ex. : pénicillines
    céphalosporines
  2. Aminosides
    Ex. : streptomycine
    gentamicine
  3. Polymyxines
    Ex. : colimycine
  4. Rifamycines
    Ex. : rifampicine
  5. Quinolones
    Ex. : A.nalidixique
    ciprofloxacine

paroi
(peptidiglycane)

ribosome


membrane
cytoplasmique
ARN polymérase

ADN gyrase

  1. Phénicols
    Ex. : chloramphénicol
    thiophénicol
  2. Cyclines
    Ex. : tétracycline
    doxycycline
  3. Macrolides
    et apparentés
    Ex. : érythromycine
    pristinamycine
  4. Sulfamides
    et apparentés
    Ex. : cotrimoxazole
  5. Nitroimidazolés
    Ex. métronidazole

ribosome


ribosome


ribosome



synthèse des acides nucléiques

Acides nucléiques


1.2.2 L'ADN extra-chromosomique

A côté du chromosome, support de l'hérédité, la bactérie peut contenir des éléments génétiques (ADN) de petite taille (0,5 à 5 % du chromosome bactérien), extra-chromosomiques. Ces éléments, appelés plasmides, ne sont pas indispensables à la vie de la bactérie dans les conditions habituelles de croissance. Ils se répliquent indépendamment et en général plus rapidement que le chromosome bactérien. On les détecte lorsque les gènes qu'ils transportent confèrent à la bactérie de nouvelles propriétés (cf. chapitre « Génétique bactérienne »). Les plus connus de ces plasmides sont les suivants :

1.2.2.1 Le facteur sexuel ou facteur F

Le facteur sexuel ou facteur F assure le transfert de fragments de chromosome bactérien par conjugaison (appariement de deux bactéries).

1.2.2.2 Les plasmides de résistance aux antibiotiques (ou facteurs R)

Ils portent des gènes qui confèrent aux bactéries la résistance à divers antibiotiques. Au contraire de la résistance conférée par une mutation chromosomique, la résistance conférée par un plasmide peut concerner des antibiotiques appartenant à plusieurs familles si le plasmide porte plusieurs gènes de résistance. La résistance codée par les gènes plasmidiques est souvent liée à la production d'enzymes qui inactivent les antibiotiques. Par exemple des plasmides de résistance très fréquents chez les staphylocoques portent un gène qui code pour la production d'une pénicillinase qui inactive la pénicilline G et les pénicillines du groupe A (ampicilline) ce qui rend la bactérie résistante à ces pénicillines (idem chez E.coli, gonocoque,...). Les gènes peuvent être organisés dans le plasmide au sein de transposons (cf. chapitre « Génétique bactérienne »).

1.2.2.3 Les autres plasmides

Certains plasmides sont responsables de la virulence (ex. : production de toxines), de la résistance aux antiseptiques, du métabolisme de certains composés (lactose, lysine, etc...), et de la dégradation de substances, par exemple le toluène, l'octane et l'acide salicylique.

1.2.3 Le cytoplasme bactérien

La structure du cytoplasme bactérien est beaucoup plus simple que celle du cytoplasme des cellules eucaryotes. Le cytoplasme ne contient pas en effet de mitochondries : les enzymes transporteurs d'électrons sont localisés dans la membrane cytoplasmique. En revanche, il est particulièrement riche en ARN solubles (ARN messager et ARN de transfert) et surtout en ARN particulaire ou ribosomal. Les ribosomes, au nombre de 15000 environ par bactérie, représentent 40 % du poids sec de la bactérie et 90 % de l'ensemble de l'ARN. Les ribosomes sont la cible d'action de nombreux antibiotiques, aminosides, phénicols, cyclines, macrolides (voir tableau 1). Ils sont constitués de protéines ribosomales et d'ARN (ARNr16S, ARNr23S et ARNr5S). Ils sont classiquement divisés en 2 sous-unités : la sous-unité 30S contient de l'ARNr16S et est la cible des aminosides et des cyclines ; la sous-unité 50S est constituée d'ARNr23S et est la cible des macrolides et apparentés.

L'ensemble des constituants cytoplasmiques sont placés dans un gel colloïdal, qui contient 80 % d'eau et des substances organiques et minérales, à une pression interne considérable (5 à 20 atmosphères).

1.2.4 La membrane cytoplasmique

1.2.4.1 La membrane cytoplasmique, ou membrane interne

Cette membrane est la limitante externe du cytoplasme. Elle est constituée d'une double couche d'unités de phospholipides (35 %) et de protéines qui lui sont associées (65 %). Certaines de ces protéines jouent un rôle dans la synthèse du peptidoglycane et sont appelées protéines de liaison aux pénicillines (PLP) ou penicillin-binding-proteins (PBP) car elles sont également la cible d'action des bêta-lactamines, famille d'antibiotiques à laquelle appartient la pénicilline.

La membrane cytoplasmique des bactéries se distingue de celle des cellules eucaryotes par l'absence de stérols. Elle est caractérisée par son l'extrême fluidité qui est liée au déplacement et à la rotation des groupements lipidiques.

1.2.4.2 Fonctions principales de la membrane cytoplasmique

Les fonctions principales de la membrane cytoplasmique sont les suivantes :

  • perméabilité sélective et transport des substances solubles à l'intérieur de la bactérie : la membrane est à la fois une barrière osmotique et un lieu de transport actif grâce à des perméases ;
  • fonction respiratoire par transport d'électrons et phosphorylation oxydative dans les espèces bactériennes aérobies (rôle équivalent à celui des mitochondries des eucaryotes) ;
  • excrétion d'enzymes hydrolytiques, qui dégradent les polymères en sous-unités suffisamment petites pour pouvoir traverser la membrane cytoplasmique et être importés dans la bactérie ;
  • support d'enzymes et de transporteurs de molécules impliqués dans la biosynthèse de l'ADN, des polymères de la paroi et des lipides membranaires.

1.2.4.3 Certaines substances antibactériennes affectent la membrane cytoplasmique

Les détergents qui contiennent des groupements lipophiles et hydrophiles détruisent la membrane cytoplasmique et tuent les bactéries. Certains antibiotiques, comme les polymyxines, agissent sur la membrane cytoplasmique comme de véritables détergents (voir tableau 1).

1.2.5 La paroi bactérienne

Malgré la forte pression osmotique (5 à 20 atmosphères) qui règne à l'intérieur du cytoplasme bactérien, la bactérie n'éclate pas grâce à l'existence d'une structure rigide, appelée paroi, de nature polymérique. Les polymères et leur mode de liaison varient selon les espèces bactériennes. Toutefois, une substance de base, spécifique des bactéries, est partout présente : c'est la muréine, appelée encore peptidoglycane.

1.2.5.1 Structure du peptidoglycane

Le peptidoglycane est un polymère complexe formé de 3 éléments différents :

  1. une épine dorsale faite d'une alternance de molécules de N-acétylglucosamine et d'acide N-acétylmuramique ;
  2. un ensemble de chaînes latérales peptidiques identiques, composées de 4 acides aminés et attachées à l'acide N-acétylmuramique ;
  3. un ensemble de « ponts interpeptidiques » identiques.

L'épine dorsale est la même pour toutes les espèces bactériennes tandis que les chaînes latérales de tétrapeptides et les ponts interpeptidiques varient d'une espèce à l'autre.

La plupart des chaînes latérales comportent la L-alanine en position 1 (attachée à l'acide N-acétylmuramique), le D-glutamate en position 2, l'acide diamino-pimélique, la lysine ou un autre acide aminé en position 3, et la D-alanine en position 4.

La figure 1 donne une représentation schématique du peptidoglycane chez Staphylococcus aureus. Il faut noter que les ponts interpeptidiques, qui assurent la fermeture de ce véritable « filet » qu'est le peptidoglycane, sont constitués chez Staphylococcus aureus d'une chaîne de 5 molécules de glycine entre la D-alanine terminale et la L-lysine en position 3.

1.2.5.2 Différences entre bactéries à Gram positif et à Gram négatif

Chez les bactéries à Gram positif,

il y a de nombreuses couches de peptidoglycane qui représentent jusqu'à 90 % des constituants de la paroi bactérienne. Celle-ci contient aussi un feutrage (10 à 50 % du poids sec de la paroi) d'acides teichoïques (polymères du glycérol ou du ribitol phosphate) associés étroitement au peptidoglycane et faisant parfois saillie à la surface de la bactérie. Certains, les acides lipoteichoïques, sont placés transversalement. et s'enfoncent jusqu'à la membrane cytoplasmique. En général il n'y a pas ou peu de protéines dans la paroi des bactéries à Gram positif. Parmi les exceptions, notons la protéine A de Staphylococcus aureus (cf chapitre « Staphylocoques »).

Chez les bactéries à Gram négatif,

il n'y a qu'une seule ou au plus deux couches de peptidoglycane qui ne représente que 5 à 20 % des constituants de la paroi bactérienne. Mais 3 polymères situés en dehors du peptidoglycane viennent compléter la paroi : des lipoprotéines, une « membrane externe » qui contient du lipopolysaccharide.
Les lipoprotéines sont le lien entre le peptidoglycane et la « membrane externe » : le composant protéine est un polymère de 15 acides aminés qui forme une liaison peptidique avec le tétrapeptide des chaînes latérales du peptidoglycane ; le composant lipide est relié à la « membrane externe ».
La « membrane externe » est constituée d'une double couche de phospholipides dans laquelle tout ou partie des phospholipides de la couche la plus externe sont remplacés par des molécules de lipopolysaccharide. Au sein de cette « membrane externe », qui est une mosaïque fluide, se trouvent associés au moins deux types de protéines spécifiques : certaines sont dites protéines de structure car elles consolident la membrane externe (exemple : OMP-A) ; d'autres, appelées « porines » permettent le passage des petites molécules hydrophiles et en particulier, sur le plan médical, des antibiotiques (ß-lactamines, tétracyclines, quinolones...).
Sur le plan immunologique, le lipopolysaccharide constitue l'antigène O des bactéries à Gram négatif. Le LPS est un lipide complexe auquel est attaché un polysaccharide qui est responsable de la spécificité antigénique de l'antigène O. Sur le plan physiopathologique, le LPS, extrêmement toxique, représente l'endotoxine des bactéries à Gram négatif.

Tableau 2 Schéma de la paroi d'une bactérie à gram négatif

Protéines de la membrane externe (Outer Membrane Protein = OMP) :

  • de structure ; ex. : OMP-A
  • porines, ex : OMP-C, OMP-F


Lipoprotéines (LP) qui permettent la cohésion du PG et des phospholipides (PL)
Protéines de la membrane cytoplasmique ou interne :

  • de structure (PS)
  • enzymes membranaires dont celles qui sont impliquées dans la synthèse du peptidoglycane (PG) et cibles des betalactamines, appelées protéines liant la pénicilline (PLP)
  • LPS : lipopolysaccharide (ou antigène 0) qui remplace en tout ou partie les phospholipides de la couche externe de la membrane externe.


1.2.5.3 Rôle de la paroi

  • La paroi confère à la bactérie sa morphologie véritable. Elle constitue le squelette externe de la bactérie et représente 25 à 35 % du poids total de la bactérie.
  • La paroi contient la pression osmotique interne. Sans paroi, les bactéries prennent une forme sphérique appelée protoplaste s'il s'agit d'une bactérie à Gram positif, ou sphéroplaste s'il s'agit d'une bactérie à Gram négatif. Les bactéries peuvent survivre sans paroi et même se multiplier (on les appelle alors formes L) à condition d'être placées dans un milieu dont la pression osmotique est équilibrée avec la pression osmotique qui règne à l'intérieur de la bactérie.
  • Elle joue un rôle déterminant dans la coloration de Gram. Chez les bactéries à Gram positif, la paroi bloque l'extraction du violet de gentiane et de l'iodure par l'alcool alors qu'elle ne bloque pas cette extraction chez les bactéries à Gram négatif.
  • Elle joue un rôle déterminant dans la spécificité antigénique des bactéries.
  • Elle est le support de l'action de certains enzymes exogènes (lysozyme) ou endogènes (autolysines) et de certains antibiotiques, notamment les bêtalactamines (pénicillines) qui inhibent la synthèse du peptidoglycane (voir tableau 1).
  • Le lipopolysaccharide (LPS) et le peptidoglycane sont capables d'activer le complément par la voie alterne ce qui libère, entre autre, les fractions C3a et C5a (effet chimiotactique) et C3b (effet opsonisant par les récepteurs des phagocytes pour le C3b) qui jouent un rôle important dans la défense non spécifique contre l'infection.

1.2.6 Structures inconstantes

1.2.6.1 La capsule

La capsule est un enduit excrêté par certaines bactéries. Elle est habituellement de nature polysaccharidique, quoique dans le cas de Bacillus anthracis (le bacille du charbon) elle consiste en un polypeptide de l'acide D-glutamique.

Chez les espèces bactériennes capsulées, des mutations peuvent affecter la production de capsule : les bactéries sauvages capsulées donnent des colonies lisses (S pour « smooth ») ou muqueuses, tandis que les bactéries mutantes non capsulées donnent des colonies rugueuses (R pour « rough »). Des variations transitoires peuvent également l'affecter puisque la production de capsule est souvent fonction de la présence de fortes concentrations de sucres ou de sérum (variation phénotypique).

La capsule joue un rôle important dans le pouvoir pathogène de certaines espèces bactériennes (Streptococcus pneumoniae, Haemophilus influenzae, Klebsiella, E.coli K1) par son rôle protecteur contre la phagocytose.

1.2.6.2 Cils ou flagelles

Les cils, ou flagelles, sont des structures inconstantes chez les bactéries. Ce sont des appendices filamenteux, composés entièrement de protéines, de 6 à 15 µm de long sur 12 à 30 nanomètres d'épaisseur. Les protéines flagellaires sont appelées flagellines.

Antigéniques (elles provoquent la formation d'anticorps que l'on peut mettre en évidence dans certains sérodiagnostics, ex. fièvre typhoïde), elles sont différentes d'une espèce bactérienne à une autre. Les flagelles sont attachés dans le cytoplasme bactérien par une structure complexe. Ils constituent les organes de locomotion pour les bactéries qui en possèdent. Selon la disposition des flagelles, on distingue les bactéries monotriches (un seul flagelle polaire), lophotriches (une touffe de flagelles polaires) ou péritriches (flagelles répartis sur toute la surface de la bactérie).

1.2.6.3 Les pili ou fimbriae

De nombreuses bactéries à Gram négatif (exceptionnellement des bactéries à Gram positif) possèdent des appendices de surface plus courts et plus fins que les flagelles et que l'on appelle pili (de pilus = poil), ou fimbriae (frange). On en distingue deux catégories :

Les pili communs

Les pili communs, sont des structures protéiques filamenteuses, de 2 à 3 µm de long, disposés régulièrement à la surface de la bactérie. Ils sont constitués par la polymérisation d'une même sous-unité polypeptidique, la piline, assemblée à des polypeptides mineurs dont l'adhésine. L'adhésine peut avoir des interactions avec un récepteur cellulaire hydrocarboné (glycolipides ou glycoprotéines) présent à la surface d'une cellule eucaryote. En tant que support d'une adhésine, les pili permettent la fixation de certaines bactéries sur les muqueuses, ce qui conditionne leur pouvoir pathogène (ex. fixation de Escherichia coli sur la muqueuse vésicale, du gonocoque sur la muqueuse de l'urètre, du vibrion du choléra sur les entérocytes...). Les structures génétiques codant pour les complexes pili-adhésine sont des opérons en situation plasmidique ou chromosomique.

Les pili sexuels,

plus longs mais en nombre plus restreint (1 à 4) que les pilis communs sont codés par des plasmides (facteur F). Ils jouent un rôle essentiel dans l'attachement des bactéries entre elles au cours de la conjugaison. Ces pilis sexuels servent également de récepteurs de bactériophages spécifiques.
Chez certaines bactéries à Gram positif, des protéines de surface dépassent largement de la paroi et jouent un rôle dans l'adhérence bactérienne, comme les fimbriae, auxquels on pourrait les assimiler. Il s'agit de la protéine A de Staphylococcus aureus et de la protéine M de Streptococcus pyogenes.

1.2.6.4 Les spores

Les bactéries appartenant à certains genres, notamment le genre Bacillus et le genre Clostridium, sont capables de former des endospores. Les bactéries sporulées subissent un cycle de différentiation en réponse aux conditions d'environnement : en l'absence d'aliments, une spore se forme à l'intérieur de chaque bactérie et est libérée lorsque la bactérie s'autolyse. La spore est une cellule bactérienne au repos, hautement résistante à la dessication, à la chaleur et aux agents chimiques. Replacée dans des conditions nutritionnelles favorables, la spore germe et redonne une bactérie identique à celle qui lui a donné naissance. La spore est donc une forme de résistance aux conditions défavorables de vie, avec conservation de toutes les aptitudes génétiquement déterminées.

1.2.6.5 Le glycocalyx

Le glycocalyx est un feutrage de fibres polysaccharidiques (exopolymère) présent à la surface des bactéries dans leur milieu naturel. Chez certaines espèces bactériennes des quantités importantes de glycocalyx sont synthétisées (cas de Pseudomonas aeruginosa ou de Streptococcus mutans) et engluent les cellules bactériennes. Le glycocalyx est alors appelé « slime ».

La production de glycocalyx favorise l'adhésion de la bactérie, par exemple aux matériaux étrangers (prothèse...). Celui qui est produit par Streptococcus mutans est responsable de la formation de la plaque dentaire, indirectement responsable des caries.

 

L'ADN bactérien peut être l'objet de variations qui se traduisent par l'apparition de différences héréditaires dans les structures et/ou les fonctions permanentes des bactéries. Les variations génétiques ou génotypiques (le génotype est l'ensemble des déterminants génétiques portés par une cellule) résultent d'une mutation, d'une transformation, d'une conjugaison, de l'acquisition d'un plasmide, d'une transduction,... en somme d'un changement de nature d'un ou plusieurs gènes. Les variations génétiques doivent être distinguées des variations phénétiques ou phénotypiques (le phénotype est l'ensemble des propriétés observables d'une cellule). Les premières affectent le génome bactérien dans sa séquence nucléotidique alors que les secondes affectent le comportement de la bactérie.

Les variations phénotypiques qui résultent de l'adaptation de l'ensemble d'une population bactérienne ayant le même génotype à diverses conditions extérieures sont réversibles, non transmissibles à la descendance mais spécifiques (non aléatoires). Leur mécanisme est en relation avec l'activité des gènes qui peut être régulée par des systèmes plus ou moins complexes : induction comme dans l'opéron lactose ; répression comme dans l'opéron tryptophane (Jacob et Monod 1961...).

2.1 Variations génétiques par mutation

La mutation est un changement, spontané ou provoqué par un agent mutagène, héréditaire (stable), brusque (discontinu), rare (10-6 à 10-9) et indépendant dans les caractères d'une bactérie, et qui est lié à une modification du génome bactérien (ADN). Il n'y a pas de différence de nature entre la mutation d'une cellule eucaryote et celle d'une cellule procaryote.

2.1.1 Caractères de la mutation bactérienne

Spontanéité (hasard) ou induction. Pour révéler la présence d'un mutant, il est nécessaire d'utiliser un moyen sélectif (par exemple milieu de culture avec un antibiotique, ou milieu minimum additionné d'un seul acide aminé). De ce fait on ne peut distinguer si la mutation est spontanée ou si elle est induite par l'agent sélectif. Le caractère spontané de la mutation a été formellement établi par l'analyse statistique de la distribution des mutants dans des tubes de bouillon de culture ensemencés en parallèle avec une même suspension microbienne (test de fluctuation de Luria et Delbruck, 1943) et par le test des répliques au tampon de velours, sans contact avec l'agent sélecteur (Lederberg et Lederberg, 1952).

  1. Le test de fluctuation de Luria et Delbruck (figure 1) concerne la résistance d'E.coli à un bactériophage (virus qui infecte les bactéries et entraîne leur lyse). Une culture jeune en milieu liquide est divisée en deux parties égales de 10 ml. Chaque partie contient 1.000 cellules bactériennes. La première partie est gardée telle quelle dans un flacon, tandis que la seconde est subdivisée à parties égales (0,2 ml) en 50 petits tubes. Tous les tubes sont mis à cultiver à 37°C. Après culture, le contenu des tubes est étalé sur des géloses recouvertes de bactériophages : 50 échantillons égaux sont prélevés du flacon et étalés séparément ; le contenu de chacun des 50 petits tubes est aussi étalé séparement.
    On observe les faits suivants : le nombre de colonies bactériennes résistant aux bactériophages est à peu près le même, entre 3 et 7 colonies résistantes, sur chacune des cinquante géloses ensemencées à partir du flacon. En evanche, parmi les géloses ensemencées à partir des 50 petits tubes, certaines ne montrent pas de colonies résistantes, d'autres en montrent une centaine.
    L'explication du phénomène est la suivante : si les bactériophages induisaient la mutation vers la résistance après que les bactéries aient été exposées aux bactériophages, toutes les géloses devraient donner le même nombre de colonies résistant aux bactériophages. Si au contraire, les mutations se produisaient comme des évènements survenant au hasard dans les cultures bactériennes avant qu'elles ne soient exposées aux bactériophages, quelques-uns des petits tubes pourraient ne pas contenir de mutants, tandis que ceux dans lesquels les mutations seraient survenues tôt au cours de la période de culture devraient en contenir beaucoup. Donc, s'il y avait mutation, le nombre de colonies résistantes aux phages obtenues à partir des cinquante petits tubes devrait présenter un fort degré de fluctuation comparé au nombre de colonies résistantes provenant du flacon. C'est exactement ce que l'on observe ! Il s'agit donc d'une mutation spontanée et non d'une « mutation dirigée par les bactériophages ».
  2. La culture par réplique de Lederberg et Lederberg (1952). Un morceau de velours stérile est tendu sur un cylindre de métal ou de bois dont le diamètre est légèrement plus petit qu'une boîte de Pétri. En appuyant légèrement le velours sur une gélose en boîte de Pétri contenant des colonies bactériennes, une fraction de chaque colonie est transférée sur le velours. En appliquant ensuite la surface du velours sur une autre gélose vierge, on obtient d'un seul coup un repiquage colonie par colonie de la première gélose, et, en répétant les « répliques », on peut repiquer l'ensemble des colonies d'une boîte de Petri sur de multiples boîtes.
    On peut démontrer par cette technique que les mutations surviennent indépendamment du facteur de sélection (figure 2). Pour cela on étale un grand nombre d'E.coli sur une gélose sans antibiotique. Lorsque la culture a poussé en donnant des colonies confluentes, on fait, à partir de cette gélose, des répliques sur d'autres boîtes contenant un antibiotique. Des colonies de mutants résistants à l'antibiotique apparaissent sur ces boîtes repiquées dont quelques unes occupent une position identique sur chaque boîte.
    On peut présumer que ceux-ci sont originaires de clones1 de cellules résistantes qui se trouvaient sur la boîte d'origine.
    Un morceau de la surface de la culture est alors prélevé à l'emplacement correspondant sur la boîte d'origine et ensemencé dans un tube de bouillon. Lorsque la culture en bouillon s'est produite, un échantillon est étalé sur une seconde boîte de gélose sans antibiotique et, ensuite, lorsque cette culture a poussé, on repique par la technique du tampon de velours de nouvelles boîtes contenant l'antibiotique. On constate qu'il y a maintenant une plus grande proportion de colonies résistantes que la première fois. On constate aussi que des colonies de mutants résistants occupent une position identique sur chaque boite répliquée. Il suffit de prélever à nouveau un fragment de la surface de culture à l'emplacement correspondant sur la boîte d'origine et de porter ce fragment en bouillon.
    Si on répète ce processus plusieurs fois, on obtient des cultures de plus en plus riches en colonies résistantes à l'antibiotique. Finalement, en n'ensemençant que 100 cellules bactériennes, on obtient plusieurs colonies résistantes. On peut, sur la culture d'origine, les prélever séparément et vérifier qu'elles sont toutes composées de cellules bactériennes résistantes à l'antibiotiques.
    Le fait capital de cette expérience est que, sans aucun contact direct avec l'antibiotique, on a pu augmenter la proportion de mutants, à chaque cycle d'étalement, ce qui prouve que la mutation originelle conférent la résistance à l'antibiotique est apparue en l'absence de l'antibiotique qui ne joue dans l'expérience que le rôle d'agent sélecteur.

Discontinuité (caractère brusque)

La mutation ne s'effectue pas à la suite d'une longue période d'adaptation progressive, avec des formes intermédiaires, mais habituellement en une seule étape (loi du tout ou rien). Dans certains cas, cependant, un comportement extrême (par exemple résistance de haut niveau aux quinolones chez E.coli) apparaît à la suite de mutations successives de plusieurs gènes. On oppose cette résistance par étapes successives (« multiple step » resistance) à celle qui se produit en une seule étape (« one step » résistance).

Stabilité

Même en l'absence de l'agent sélecteur, le caractère acquis par la mutation est transmis à la descendance et se maintient dans les subcultures. La stabilité n'exclut cependant pas la réversibilité de la mutation (« reverse mutation »). Ex. : E.coli mutabile pour le caractère lactose.

Rareté

La mutation est un phénomène rare qui n'affecte qu'une faible fraction de l'ensemble des cellules bactériennes au sein d'une large population. La proportion des mutants que l'on peut observer dans la population bactérienne d'origine dépend de trois paramètres indépendants :

  1. la probabilité qu'une cellule bactérienne mute dans une unité de temps donné, correspondant à un certain nombre de générations. Cette probabilité s'appelle le taux de mutation ;
  2. la distribution dans le temps des évènements mutationnels durant la période de culture (cf. le test de fluctuation de Luria et Delbruck), des mutations très précoces produisant de très larges clones de descendants du mutant) ;
  3. le taux de croissance du mutant comparé à celui du type parental sauvage (« fitness »).


Bien que rares, les mutants peuvent être sélectionnés au sein d'une population bactérienne, soit spontanément (sélection relative) parce qu'ils possèdent un avantage physiologique (ex : vitesse de croissance, taux de létalité, pathogénnicité...), soit artificiellement (sélection absolue) parce qu'ils sont par exemple résistants à un antibiotique qui « révèle » la mutation (agent sélecteur).

Indépendance et spécificité

La mutation n'affecte habituellement qu'un seul caractère en respectant les autres (ex. : M.tuberculosis sensible à tous les antibiotiques M.tuberculosis résistant à la streptomycine et sensible à tous les autres antibiotiques). Dans certains cas, lorsque les mutations résultent de la modification d'une séquence de gènes fonctionnant ensemble (un opéron), elles peuvent affecter plusieurs caractères (mutation pléiotrope).
La mutation d'un caractère donné ne modifie pas la probabilité de mutation d'un autre caractère. Il y a indépendance des mutations. Il en résulte que la probabilité de mutation simultanée à l'égard de deux caractères est égale au produit des probabilités individuelles. Si la probabilité de la résistance de M.tuberculosis à la streptomycine par mutation est de 10-5 et celle de la résistance à l'isoniazide de 10-6, la probabilité de résistance double simultanée à la streptomycine et à l'isoniazide est de 10-11 (base de la polychimiothérapie de la tuberculose, du SIDA...).

2.1.2 La mutation à l'échelon moléculaire

Tout changement dans la séquence nucléotique d'un gène constitue une mutation. La séquence nucléotidique peut changer de deux manières, soit par substitution d'une paire de bases par une autre à la suite d'une erreur durant la réplication, soit par cassures de l'ossature sucre-phosphate de l'ADN avec perte, addition ou inversion d'ADN entre les deux cassures.

  1. Changement de séquence consécutif à la substitution d'une paire de base : il peut s'agir d'une transition (ex. : AT est remplacé par GC), ou d'une inversion ou transversion (ATTA. La plupart des mutations par substitution d'une paire de bases sont réversibles (mutations réverses). Certaines sont silencieuses (inapparentes), en particulier quand la substitution concerne le 3e nucléotide du codon car elles ne modifient pas la séquence en acides aminés de la protéine correspondante (dégénérescence du code génétique. D'autres sont au contraire létales, par exemple lorsque la mutation introduit un codon non-sens (protéine tronquée).
  2. Changement de séquence consécutive à une cassure des liaisons sucre-phosphate : la mutation affecte en général une séquence de bases plutôt qu'une simple paire. Il y a délétion (perte) d'une séquence (codon) d'ADN, inversion d'une séquence, ou encore insertion d'une séquence. Dans ces cas, la mutation est souvent létale ou non réversible.

 



1. Un clone est une population bactérienne descendant d'une seule bactérie

 

2.2 - Les variations génétiques par transfert de matériel génétique

La bactérie peut être l'objet de variations génétiques autres que la mutation. Celles-ci peuvent résulter du transfert de matériel génétique d'une bactérie à une autre par des processus aussi différents que la transformation, la transduction et la conjugaison.

2.2.1 La transformation

La transformation est le transfert passif d'ADN d'une bactérie donatrice à une bactérie réceptrice, dite en état de compétence. Le transfert, qui est partiel et limité à quelques espèces bactériennes, entraîne l'acquisition par la bactérie réceptrice de nouveaux caractères génétiques stables et transmissibles.

Découverte de la transformation. En 1928, Frederick Griffith démontre que l'inoculation sous-cutanée à la souris d'un mélange de pneumocoques capsulés (virulents) tués par la chaleur et de pneumocoques acapsulés (non virulents) vivants, entraîne une septicémie mortelle à pneumocoques capsulés vivants (figure 3a). Il y a donc eu transformation ou « réversion » des pneumocoques acapsulés (R) en pneumocoques capsulés (S). La transformation est plus facile lorsque les pneumocoques acapsulés vivants et les pneumocoques capsulés tués sont du même sérotype.

En 1944, Avery Mac Leod et McCarty démontrent que le « principe transformant » est l'ADN bactérien. Ils réussissent à reproduire in vitro la transformation en présence d'ADN fortement polymérisé. L'activité transformante est perdue en présence de désoxyribonucléase.

Caractères de la transformation. La transformation naturelle ou physiologique exige l'état de compétence qui n'apparaît qu'à certains stades de la division cellulaire et seulement chez une fraction de la population bactérienne. La transformation artificielle est précédée du traitement chimique ou enzymatique de la paroi bactérienne avant sa mise en contact avec l'ADN.

La transformation naturelle peut s'observer chez un nombre limité d'espèces bactériennes à Gram positif (Streptococcus et Bacillus) ou à Gram négatif (Neisseria, Branhamella, Acinetobacter, Haemophilus). Elle se produit selon les phases suivantes (figure 3b) :

apparition de l'état de compétence, fixation puis pénétration et intégration de l'ADN donneur dans le génome de la bactérie réceptrice. Chez les bactéries à Gram positif, les différentes phases mettent en jeu un activateur spécifique d'espèce, excrêté par la bactérie et qui se fixe à la surface de la bactérie. Il y a ensuite synthèse d'une protéine fixatrice de l'ADN, d'une autolysine et une endonucléase. L'ADN fixé est ensuite partiellement hydrolysé puis converti en un fragment monocaténaire.

Les bactéries transformables sont capables de fixer des ADN de multiples sources mais ne sont capables de former des recombinaisons génétiques que si la bactérie donatrice et la bactérie réceptrice sont génétiquement très proches. Cette relative spécificité est liée au fait que l'appariement qui se produit avant la recombinaison exige une étroite homologie des séquences nucléotidiques endogènes et exogènes.

Chez les bactéries à Gram négatif, l'état de compétence est aussi en relation avec la synthèse d'un activateur de paroi qui est excrêté par la bactérie à la phase exponentielle de croissance (H. influenzae) ou à la phase stationnaire (Acinetobacter).

L'ADN donneur se fixe sur la paroi au niveau de sites récepteurs, dans des conditions strictes de métabolisme cellulaire, de pH, de température et d'osmolarité.

Bien que la transformation ne permette que le transfert d'une petite fraction du génome bactérien (<1 %), soit d'efficacité relative (la fréquence de transfert est de l'ordre de 10-4 à 10-6) et soit limitée à quelques espèces bactériennes, elle est d'un grand intérêt théorique et pratique. Elle a permis de comprendre le mécanisme de la synthèse de la capsule, le contrôle génétique de la résistance aux antibiotiques, l'établissement de cartes génétiques, etc... Elle joue un rôle important dans l'évolution vers la résistance du pneumocoque (ß-lactamines). Grâce à la transfection, qui est la possibilité d'infecter des bactéries par des ADN ou des ARN viraux, on a pu démontrer l'universalité du code génétique en 1961.

2.2.2 La conjugaison

La conjugaison est un transfert d'ADN entre une bactérie donatrice et une bactérie réceptrice, qui nécessite le contact et l'appariement entre les bactéries, et repose sur la présence dans la bactérie donatrice ou mâle d'une facteur de sexualité ou de fertilité (facteur F). Celui-ci permet la synthèse de pili sexuels et donne la polarité au chromosome. Le transfert d'ADN chromosomique qui est à sens unique, orienté, progressif et quelquefois total, a beaucoup de similitudes avec le transfert d'ADN extrachromosomique (plasmidique) (figure 4).

2.2.2.1 Mise en évidence de la conjugaison

La découverte de la transformation chez le pneumocoque et la possibilité d'obtenir des mutants auxotrophes (incapables de faire la synthèse d'un métabolite essentiel) ont suscité des recherches sur la recombinaison génétique chez les bactéries. L'expérience princeps de Lederberg et Tatum (1946) est à l'origine de la découverte de la conjugaison. Dans un milieu de culture liquide, ces auteurs ont mélangé deux types de mutants auxotrophes d'E.coli, d'une part des mutants exigeants seulement en thréonine (T-) et en leucine (L-) et, d'autre part, des mutants exigeants seulement en méthionine (M-) et biotine (B-). Après plusieurs heures de contact entre les mutants T- L- M+ B+ et les mutants T+ L+ M- B-, Lederberg et Tatum ont isolé des E.coli T+ L+ M+ B+ (environ 100 pour 108 E.coli). La recombinaison s'était produite avec une faible fréquence (10-6) et exigeait en plus le contact entre les deux types de mutants auxotrophes.

2.2.2.2 Caractères de la conjugaison

Spécificité

Le transfert d'ADN chromosomique par conjugaison ne se produit qu'entre bactéries d'une même espèce (spécificité), et surtout chez les bactéries à Gram négatif telles que les entérobactéries (E.coli, Salmonella... et Pseudomonas aeruginosa). Le transfert d'ADN extrachromosomique (plasmide) est en revanche plus répandu parmi les espèces bactériennes et est moins spécifique d'espèce.

Différentiation sexuelle

Le transfert, qui est à sens unique (bactérie donatrice-bactérie réceptrice) repose sur la présence chez la bactérie donatrice du facteur sexuel ou facteur de fertilité (F) à laquelle il confère la polarité ou le caractère mâle (F+). Le facteur sexuel est le premier plasmide connu. L'information génétique qu'il porte code pour la biosynthèse de pili sexuels, pour son insertion possible dans le chromosome bactérien et pour la mobilisation (le transfert) de ce dernier vers des bactéries réceptrices (F-).

Contact ou appariement

Le transfert chromosomique n'est possible qu'après appariement par couple des bactéries donatrice et réceptrice. Il fait d'abord intervenir les pili sexuels (2 à 3 par bactérie F+) qui reconnaissent par leurs extrêmités les zones de contact à la surface des bactéries F- et s'y fixent puis se rétractent en rapprochant les deux types de bactéries. Ils permettent ainsi leur contact et la formation d'un pont cytoplasmique de 100 à 300 mµ par lequel va s'opérer le transfert chromosomique (figure 4).

Transfert de l'ADN

Le pont cytoplasmique formé, le transfert génétique peut commencer. Il ne porte d'abord que sur un brin d'ADN, ce qui permet de restaurer l'intégrité du génôme de la bactérie donatrice par un processus de réplication asymétrique. Ce processus de réplication asymétrique a lieu tout près du pont cytoplasmique et met en jeu un site réplicateur spécifique. Le transfert du brin d'ADN est à sens unique, orienté, progressif, quelquefois total. Il dure alors une centaine de minutes à 37°C. Son interruption artificielle par agitation mécanique permet de déterminer la séquence des gènes transférés et d'établir la carte chromosomique.

Caractères chromosomiques transférés

Tous les caractères codés par le chromosome (c'est-à-dire tous les gènes) peuvent être transférés. En effet,le facteur F peut être intégré dans le chromosome bactérien à certains sites. Dans cette position il permet le transfert de gènes chromosomiques proches de ces sites d'une bactérie à une autre mais ne transfère que rarement le facteur lui-même.
Le facteur F peut rester autonome dans le cytoplasme. Dans cette position il ne transmet à la bactérie réceptrice que le facteur F mais pas de gène chromosomique. Lors du passage de l'état intégré à l'état autonome, le facteur F peut emporter avec lui des gènes bactériens. Le résultat en est un plasmide F' qui contient ces gènes et capable de les transférer à une bactérie réceptrice de nouveaux gènes : c'est la F-duction ou sex-duction. Si les gènes transférés par le facteur F' s'intègrent dans le chromosome de la bactérie réceptrice, on dit qu'il y a eu recombinaison légitime (chromosomique). S'ils ne s'intègrent pas, ils deviennent de véritables gènes mobiles d'une bactérie à une autre.

Plasmides conjugatifs

Certains plasmides sont capables d'assurer tous seuls leur transfert par conjugaison. On les appelle plasmides conjugatifs (cf. section 2.2.3).

2.2.2.3 Conclusions

Le transfert de gènes par conjugaison est un facteur majeur d'évolution du patrimoine génétique bactérien, qui joue un rôle essentiel en bactériologie médicale (résistance aux antibiotiques...).

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